中国企业自主开发产品选择通信技术标准问题的思考

　　本文主要针对自动化行业国内企业自主开发产品中采用通信技术标准现状及技术开发能力、国外现状及技术开发能力、未来市场要求、及企业应对对策等问题发表个人看法。本文作者多年负责中国现场总线Profibus资格中心、中国PROFIBUS产品测试实验室工作。

　　本文中凡提到“网络通信技术”，即指现场总线或工业以太网技术。凡提到“中国企业自主开发产品” 即指通常所说“国产”自动化类产品，如：变送器、在线仪表、PLC、I/O、驱动器、显示仪表等等。

　　问题的提出

　　虽然目前中国自动化产品主要市场份额为国际知名厂家产品所占有，但中国企业自主开发的产品必将逐步占领市场并取得相当份额，这只是时间问题，是大势所趋。本人对此深信不疑。作者只是想在本文中向自主开发自动化产品的中国企业提出一个警示：必须注意发展产品的通信技术，否则，近年来有了良好的发展势头的中国自动化产品将再次受到阻碍。问题提出的主要依据如下：

　　1.网络通信技术是当今自动化类产品必备之功能——关系到企业产品生死攸关的大事

　　当今时代，自动化类产品必须具备通信接口，支持某种通信技术标准，能够与自动化系统连接，否则将会退出市场。我们可以回忆一下十年前，在中国市场上见到不少国际自动化厂家产品，包括：变送器、在线仪表、PLC、I/O、驱动器等等。随后现场总线技术兴起。凡是跟随通信技术发展主流的厂家，今天我们仍然可以见到它们的产品处在增长、发展的势头上。凡对通信技术发展漠不关心、或在这次技术发展中掉队的厂家，无论它曾经多么辉煌，今天可以看到它处在沉沦和下滑的趋势中。一些本来排名靠后企业由于抓住通信技术的发展机会得到发展。历史告诉我们，凡自动化行业企业，不能在通信技术上掉队。今后，在自动化系统中，没有独立于系统之外的现场设备，也没有独立于主系统的子系统。

　　2.多种标准共存，产品不得不支持多种协议

　　众所周知，目前市场上并存多种通信协议标准。主流通信技术标准也有几种，互不兼容。这为所有自动化设备供应商提出了难题，对它们的生存提出了挑战；辩证的看，也提供了企业新的发展机会。

　　●产品采用非标准、非主流通信技术协议——形同虚设。

　　如果产品只内置一两个RS-232/485接口，自定义一种简单协议，用于产品的调试、简单通信功能；这种非标准、非主流通信技术协议产品不能直接接入主流、标准的通信网络系统，不适应当前自动化市场的需要。

　　●产品只有采用主流、标准的通信技术协议才有前途。主流、标准的通信技术协议当然是指国际IEC通过的现场总线或工业以太网标准，但更重要的是看市场。自动化产品必须跟定系统厂家主流采用的通信技术标准才有前途。

　　●标准、主流网络通信技术也不是统一的，多种并存的格局将持续；自动化设备不得不支持多种协议。通常，系统厂家是某一种现场总线或工业以太网通信协议标准的旗手、或骨干。系统厂家一般都有一个系统的网络规划、战略。目前现状是：不同系统厂家在不同行业有各自优势，采用完全不同的现场总线或工业以太网标准。也有系统厂家在不同行业支持不同通信标准。因此，为了在不同行业与不同系统厂家通信标准兼容，自动化产品不得不支持多种协议标准。

　　●集成工具、设备描述语言互不相同。不同现场总线或工业以太网标准，有不同的设备描述语言、设备集成工具。如GSD、XML、EDDL、FDT/DTM等。

　　３．企业面对的困境

　　如上所述，自动化产品企业必须提升产品通信技术才能维持今后的生存；而这样的技术提升对于自动化行业的技术人员来说是完全陌生、全新的技术领域。技术复杂程度和难度需要企业投入相当的人力、物力、时间资源。一般来说，企业的产品开发部门应该分离出一个专业通信技术研发团队，这个团队要研发几种网络协议、及设备描述和集成技术。这对中、小企业来说是个挑战。

　　目前中国企业自主开发产品通信功能技术现状

　　作者近年来一直从事现场总线技术推广工作，对国内产品通信技术现状及企业技术开发能力有如下了解：

　　现场仪表/设备的“智能化”进程还没有完全结束

　　“智能化”即指以微处理器为核心、采用数字化技术的现场设备/仪表。“智能化”是现场仪表/设备支持现场总线及工业以太网的技术前提。目前一些企业产品还没有完成“智能化”阶段改造，如何能跟上当前工业通信技术发展，这实在令人为他们的前景担忧。

　　目前应用普遍、但面临升级的通信技术

　　以下是目前国内企业产品普遍采用，但不能满足主流标准化通信技术要求，面临技术升级需要的通信技术。

　　(1) RS-232/485 + 企业协议

　　●关于“企业协议”：是指企业按照产品要求自定义的一组应用层协议。

　　●组网：如果是RS-485物理层，“企业协议”支持组网，可组成基于RS-485网络。目前现状是：“企业协议”比较简单，没有严格的网络时序控制。网络维护管理功能很弱，容易造成网络通信中断。再一个原因是国内技术人员对RS-485技术细节、限制与规定研究不够，组网时随意采用各种接插件，中继等。安装技术也不规范。因此国内应用“RS-485+企业协议”网络成功案例不多见。其实，许多目前广泛使用的国际IEC现场总线标准就是从“RS-485+企业协议”长时期逐步发展完善的。只是目前的时代不再给我们这样的机会了。

　　●标准化及互连性：由于采用“企业协议”，因此是非标准化的。互连性指与第三方产品的互连性。显然是不易于实现互连的。

　　●技术实现：采用UART和编程即可实现，技术实现容易。

　　⑵ MODBUS/232/485协议

　　●关于MODBUS：MODBUS是国际、国内应用极其广泛的一种工业设备层通信协议。几乎遍布各个行业领域。MODBUS-1、-2基于RS-232/485的物理层。MODBUS-3称MODBUS/TCP，是将MODBUS应用层应用于Ethernet(TCP/IP)的工业以太网协议。MODBUS虽然应用广泛，但目前还不是正式的IEC标准。MODBUS在我国已成为国家指导性技术文件GB/Z 19582-2004。预计2007年将通过成为国家推荐性技术标准GB/T。几乎所有国际著名自动化厂家都支持MODBUS协议，其中主要是和。

　　●组网：按照MODBUS协议标准是可以组网的。

　　●标准及互连性：目前的现状是不确定。国内许多产品没有严格按照MODBUS协议标准的物理层及应用层要求实现。在实际应用中，号称MODBUS协议的产品在互连方面发生很多问题，造成用户对MODBUS标准通信组网能力的误解。前面提到的关于国内技术人员对RS-485技术应用的问题也反映到MODBUS产品组网应用中。再有就是MODBUS产品的测试认证也没有很好地为MODBUS产品互连提供技术保证。我相信，如果严格从MODBUS标准出发，制定严格的测试导则，经过测试认证的MODBUS产品一定能够实现互连。MODBUS产品互连时发生的问题是产品的技术实现与应用问题，不是MODBUS标准本身的问题。

　　●技术实现：采用UART和简单编程即可实现，技术实现容易。

　　⑶ CAN+企业协议

　　●关于CAN：了解的人很多，在此不予详述。

　　●组网：CAN协议为组网提供了很好的底层协议，关键是“企业协议”必须支持组网要求的技术条件。

　　标准化及互连性：“企业协议”不是标准化协议。与第三方产品不易实现互连。

　　●技术实现：CAN协议有专用通信芯片。也有许多单片机嵌入了CAN协议接口。只要简单编程即可实现。

　　⑷ HART协议

　　●关于HART：属于模拟系统向现场总线系统转变中过渡性技术，在过渡时期具有较强的市场竞争能力，应用比较普遍。

　　●组网：按照协议标准是可以组网的。

　　●标准化及互连性：较好

　　●技术实现： 物理层部分可采用分立器件或专用电路器件实现。上层协议可编程实现。

　　少数企业已经掌握的一些主流、标准化通信开发技术

　　以下是作者了解到的国内企业能够自主开发的主流、标准化通信技术。

　　⑴ PROFIBUS 从站 DP/V0、/V1

　　●关于PROFIBUS-DP/V0、/V1：PROFIBUS是目前国内外应用最广泛的现场总线标准。DP/V0从站是PROFIBUS标准IEC61158-3、及GB/T20540-2006中最简单、应用最广的技术。国内PROFIBUS产品开发绝大部分属于这种技术。DP/V0只支持周期性数据通信，用于实时数据通信场合。DP/V1在V0基础上增加非周期性数据通信，用于远程参数化等功能。DP/V1应用场合少于DP/V0。目前国内能够开发DP/V1技术产品的企业不多，多数企业已掌握的开发技术主要集中在DP/V0上面。目前已有产品种类：电机保护器、电量测量与保护器、网关、远程I/O、PLC等。

　　●市场：有一定市场销售，但与整个国内市场需求相比，市场占有份额很小。

　　●技术实现与难度：通常采用PROFIBUS专用芯片。目前至少有3家公司可提供不同的PROFIBUS专用芯片。通常PROFIBUS专用芯片对单片机没有特殊要求（如8位、51系列均可），或者PROFIBUS专用芯片内置单片机。PROFIBUS专用芯片厂家提供Firmware供软件编程、及开发工具，但都不是必须的。有关PROFIBUS专用芯片的编程技术在国内正在逐步普及。

　　⑵ DeviceNet

　　●关于DeviceNet：DeviceNet 是国际标准IEC 62026-2及中国国家标准GB/T 18858。主要应用在离散控制领域及混合控制领域。目前在我国的低压电器应用行业（如配电）、汽车制造、电力、造纸、冶金、印刷机械、等都有广泛应用。

　　●目前已有产品种类： 远程I/O 、网关等。

　　●市场：市场销售很少。

　　●技术实现与难度：DeviceNet 的底层是CAN 2.0A。这对国内大多数开发人员并不难。但DeviceNet 上层协议CIP相对复杂。独立软件编程实现CIP对国内大多数开发人员来说比较难。而Firmware价格相对比较高。也许这便是DeviceNet在国内的开发技术普及程度不如PROFIBUS的原因。

　　⑶ PROFIBUS-PA

　　●关于PROFIBUS-PA：是PROFIBUS应用在流程自动化领域的现场总线标准，如石化、制药、食品等行业。它与PROFIBUS-DP在物理层及应用层都有很大不同，具有总线供电、本质安全等功能。严格的产品行规保证了产品的互换性。

　　●目前已有产品种类：压力变送器、温度变送器

　　●市场：市场销售量很少。

　　●技术实现与难度：

　　目前采用比较普遍的PA产品开发解决方案如下

　　- SPC4+SIM1+单片机，需要软件实现DP/V0、V1协议栈，及PA产品行规。

　　- DPC31+SIM1+（单片机/可选），DPC31内置DP/V0协议栈，因此软件只需实现DP/ V1协议栈，及PA产品行规。

　　其中：SIM1是PA物理层的MODEM芯片，也可以使用其他公司的类似芯片完成。PA设备通常是总线供电，因此需要低功耗系统；故SPC4、DPC31都是3V芯片。以上开发技术中，相比之下，自主编程实现PA行规的难度较大。

　　如果产品要求防爆，可能会涉及本质安全的设计技术。

　　⑷ FF

　　●关于FF：IEC61158国际现场总线标准之一。是目前流程自动化行业领域应用最广泛的现场总线标准。政府早在国家“九五”科技攻关项目中就给予国内企业自主开发FF总线协议产品很大的财政支持。目前，已有若干骨干企业能够自主开发FF总线协议产品。

　　●目前已有产品种类：压力变送器、温度变送器等

　　●市场：市场销售量很少。

　　●技术实现与难度：作者了解不多。可能与PA产品开发难度相似或略高一些。

　　⑸ Ethernet+TCP/IP或MODBUS/TCP

　　●关于Ethernet+TCP/IP或 MODBUS/TCP

　　Ethernet(TCP/IP)技术标准来源于计算机局域网协议（IEE802.3）和互联网协议(TCP/IP)。2000年前后，多种现场总线标准共存于国际IEC61158标准的状况已成定局。用户将统一现场总线标准的希望转向IT行业应用广泛的Ethernet(TCP/IP)标准。希望将其引入自动化行业成为统一的工业网络标准。随后，工业以太网兴起。

　　以Ethernet(TCP/IP)为OSI模型底层，增加适合工业自动化技术的应用层、及产品行规，由此派生出各种工业以太网协议标准：MODBUS/TCP、PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT等等。

　　单纯的Ethernet(TCP/IP)协议I/O产品在国际及国内却早有应用，并占有一定市场。主要集中在楼宇自动化、建筑物内环境监测有关应用项目中。原因可能是因为楼宇的自动布线已经相当普及，在此基础上应用Ethernet(TCP/IP)作为楼宇内各种设置自动控制网络是水到渠成。因此，Ethernet(TCP/IP)协议的远程I/O具有一定的市场。

　　MODBUS/TCP即MODBUS-3，是基于Ethernet(TCP/IP)的工业以太网协议。目前已加入IEC61784工业以太网标准化工作成为备选的国际工业以太网标准之一。

　　●目前已有产品种类：主要远程I/O产品

　　●市场：MODBUS/TCP主要用于工业控制场合，目前国产I/O设备销量很少。Ethernet(TCP/IP)协议I/O产品楼宇自动化、建筑物内环境监测有关应用项目中有一定量销售。

　　●技术实现与难度： 以ARM 7（或ARM9）及嵌入TCP/IP协议栈的产品最有竞争力。这项开发技术对目前多数国内自动化行业产品开发人员来说还是有一定难度。

　　国内工业以太网通信技术开发现状

　　PROFINET

　　PROFINET是国际Profibus组织（PI）提出的基于以太网的工业控制网络技术标准。它包括了标准数据通信TCP/IP（100ms）、实时数据通信RT（10ms）、和严格时间实时数据通信IRT（1ms）技术。目前已加入IEC61784工业以太网标准化工作成为备选的国际工业以太网标准之一。

　　PROFINET目前有几十种产品。在欧洲，超过2家公司可以提供PROFINET专用通信芯片和开发工具，大约有20家左右公司在开发PROFINET产品，有2个以上实验室可以测试认证PROFINET产品。

　　在国内，2007年将成立“PROFINET技术资格中心”。“PROFINET产品测试实验室”正在筹建中。PROFINET产品开发还是空白。

　　Ethernet/IP

　　Ethernet/IP是国际组织ODVA提出的基于以太网的工业控制网络技术标准。它包括了普通数据通信TCP/IP、实时数据通信RT技术。Ethernet/IP应用层采用CIP协议。Ethernet/IP目前也加入IEC61784工业以太网标准化工作成为备选的国际工业以太网标准之一。

　　对现状的评价

　　通过上述分析，作者对国内企业自主开发自动化产品通信技术现状的评价是：

　　●通信技术开发滞后：通信技术开发限于MODBUS/485、CAN这个水平。只有少数企业掌握主流国际标准现场总线标准的部分开发技术；在主流国际标准工业以太网产品开发方面几乎还是空白。

　　●企业没有长期通信技术发展战略规划：多数中小企业甚至一些大企业没有意识到问题的严重性，没有一个企业产品通信技术发展战略规划。简单的说，企业拿不出一个网络系统结构图，向用户解释他们的产品在什么位置？如何与系统连接？未来发展如何？

　　●没有相关技术储备：多数中小企业甚至一些大企业没有通信相关技术储备，只注重投入与本行业产品有关技术研发。

　　●后果堪忧：如此现状将阻碍国产自动化产品的进一步发展，使处在逐步崛起国产自动化产品行业再次陷入困局。

　　企业如何选择通信技术制定发展规划/战略

　　面对多种总线及工业以太网标准共存现状，面对不同行业、不同系统厂家采用不同通信标准的现状、面对企业与国际主流通信技术之间的差距，如何为企业选择通信技术、为企业制定一个切实可行的“产品通信技术发展战略规划“？这是一个涉及企业行业、产品种类、企业技术现状的复杂问题。作者在此提出一些决策时的参考因素。

　　企业的主流产品或系统

　　从企业现有主要产品种类出发，比如：企业产品属于控制仪表，或企业产品属于驱动装置等。

　　通信技术的要求

　　分析企业产品对通信技术的要求。因为不同种类产品功能不同可能导致通信技术要求不同。通信技术要求主要包括：

　　数据量：产品作为一个节点，通信数据量的大小。比如：8字节以下、64字以下、120字以下、200字以上等等。

　　实时性：产品对数据通信的实时性要求。工业控制应用一般是RT级别数据，如小于10ms、或小于50 ms。如果在100ms以上，一般现场总线或工业以太网都能满足。

　　非周期性数据：用于参数下载、诊断报警等。

　　物理层特性要求：安装运行环境、通信距离、供电、防爆。

　　安全功能：是否有功能安全要求。

　　市场要求

　　任何时候，市场要求是选择产品通信技术一个重要因素：

　　产品主要应用行业？不同行业中可能有比较强势的通信技术标准；行业的特殊技术要求和技术标准也是选择产品通信技术应该考虑的因素。

　　与哪几家公司系统连接最多？系统厂家都有各自行业优势，设备必须跟随系统才能在行业中应用。

　　这些厂家系统支持什么样的现场总线及工业以太网？设备必须跟随系统厂家的主流现场总线及工业以太网标准才有前途。

　　技术成本

　　技术成本也是为产品选择通信技术一个重要参考因素。技术成本涉及到产品价格、系统成本、技术支持及售后服务成本等，是影响产品竞争力的一个重要方面。技术成本也和产品开发、产业化、进入市场宣传等一次性项目投资有关。企业在选择通信技术方向时必须注意考虑它的技术成本问题。

　　单站点成本？

　　单站点成本指：产品（单站点）由于增加了通信功能，而使材料费和加工费用增加而增加的成本部分。它是新产品售价增加的主要因素。也涉及到新产品能否带来附加利润问题。不同的通信技术标准单站点成本是不一样的，有的甚至有很大差别。因此不应过分追求技术功能而使新产品售价增加过高，使原产品用户群无法接受。

　　系统成本？

　　系统成本是指：应用系统采用新的通信技术（现场总线及工业以太网）产品组成。新的网络组网需要的控制器、网络部件、软件等可能不同，集成费用、施工、技术服务、系统维护等费用可能也不同。新的系统带来的各项功能提高、技术进步、甚至成本下降与原系统的综合指标比较是否具有竞争力，也是产品厂家不得不考虑的问题。尽管这些问题不是也不可能由他来解决。但是产品厂家利益已经和系统应用捆绑在一起。

　　开发一次性投资？

　　作为企业技术发展规划，不得不考虑技术更新、发展的投资问题。这里不仅只是购买设备、可能包括：

　　●开发设备、工具

　　●技术人员引进、或培训、工资

　　●部分的技术转让费用或分包费用

　　●产品必要的测试认证费用

　　●有关知识产权方面的费用，如入会、许可证、ID号等

　　技术实现可行性

　　技术实现可行性与选择通信技术标准有关。各种不同的通信技术标准可能提供的开发工具、芯片、Firmware、测试服务、技术合作是有很大差别的。企业应根据自身条件仔细研究技术实现可能性。技术可行性要考虑的问题包括：

　　●谁能提供解决方案？价格？

　　●引进技术能否消化吸收？

　　●与企业现有技术基础接轨？引进新的通信技术与公司原有技术基础接轨，注意“技术代沟”对产品市场、技术服务、制造带来的影响。

　　●符合公司技术发展方向？包括：技术团队的培养、技术连续性与积累、技术难点的攻关。

　　企业如何面对当前困局

　　国内自主开发自动化产品在通信技术方面与国际先进水平相比差距较大，企业如何面对这个困局，提出如下建议：

　　●企业领导要有忧患意识，应该认识到问题的严重性，尽快组织研究制定“企业产品通信技术发展战略规划”。

　　●有条件、实力较强的企业应着手建立自己的通信技术开发团队。

　　●中小企业应调整心态，走技术合作之路。通信技术成为自动化行业共有技术，因此一定会分离出一批专业从事工业网络通信技术开发的企业。中小企业应该把产品通信开发工作外包给专业从事网络通信技术的企业，自己仍专心本公司核心技术的研究发展。

　　●采用第三方产品配套，如网关、网桥类产品的配套。